摘要：以改性水性環(huán)氧樹脂配置聚丙烯纖維混凝土，測試不同水性環(huán)氧樹脂摻量的聚丙烯纖維混凝土的劈裂抗拉、抗折力學(xué)性能，進(jìn)行了水性環(huán)氧樹脂增強(qiáng)聚丙烯纖維的水泥附著性能試驗(yàn)和水性環(huán)氧樹脂的不同摻量下增強(qiáng)聚丙烯纖維混凝土阻裂、抗?jié)B性能效應(yīng)試驗(yàn)，并對水性環(huán)氧樹脂摻入聚丙烯纖維混凝土中后對各項(xiàng)性能的增強(qiáng)機(jī)理進(jìn)行了探討。以番禺大石大橋橋面鋪
裝工程為例，介紹了水性環(huán)氧樹脂摻入聚丙烯纖維混凝土的工程應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：水性環(huán)氧樹脂；聚丙烯纖維；混凝土
中圖分類號：TU57+8.12；TU528.572 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1001- 702X（2006）11- 0060- 04
0 引言
水性環(huán)氧樹脂突出的優(yōu)點(diǎn)是可在室溫、潮濕或過濕的環(huán)境中固化，能與水泥、石膏、混凝土等水性膠合物混合，提高其各種力學(xué)性能，增強(qiáng)粘結(jié)能力。在普通混凝土內(nèi)摻入一定量聚丙烯纖維能抑制混凝土的塑性收縮微裂縫，提高混凝土的抗裂和防水性能。由于聚丙烯纖維具有化學(xué)性能穩(wěn)定、耐酸堿，以及摻混工藝簡單、摻量少、價格較低等優(yōu)點(diǎn)，在公路、橋梁、機(jī)場跑道、港口碼頭等工程中得到了廣泛的應(yīng)用。但是，未經(jīng)處理的聚丙烯纖維與水泥的相容性較差，水泥不易粘附在聚丙烯纖維表面，影響聚丙烯纖維與水泥的握裹力和增強(qiáng)作用。
基于這些因素，加入一定量的水性環(huán)氧樹脂，改善纖維與水泥的表面親合性，以增強(qiáng)聚丙烯纖維與水泥基之間的粘結(jié)力。使這種復(fù)合水性環(huán)氧樹脂聚丙烯纖維混凝土具有更為優(yōu)良的抗拉、抗折強(qiáng)度和抗裂、防水性能。
1 水性環(huán)氧樹脂對聚丙烯纖維混凝土力學(xué)性能影響的試驗(yàn)
1.1 試驗(yàn)材料
水泥：廣州石井牌P.O42.5 普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料：河砂，最大粒徑5 mm，細(xì)度模數(shù)2.5，表觀密度2.58 g/cm3，堆積密度1480 kg/cm3；粗骨料：石灰?guī)r碎石，表觀密度2.98 g/cm3，堆積密度1540 kg/cm3，顆粒級配為5～20 mm，連續(xù)級配；聚丙烯纖維：美國杜拉纖維，密度0.91 g/cm3,長度20 mm；水性環(huán)氧樹脂：廣州東風(fēng)化工廠生產(chǎn)；固化劑：DFG—88 芳香族胺類固化劑，用量為水性環(huán)氧樹脂用量的25%。
1.2 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)設(shè)備
按照CECS 13：89 《纖維混凝土試驗(yàn)方法》進(jìn)行劈裂抗拉、抗折強(qiáng)度的測試。劈裂抗拉強(qiáng)度試件尺寸為150 mm×150mm×150 mm；抗折強(qiáng)度試件尺寸為150 mm×150 mm×550mm。每種性能測試所用試件均為3 個。
劈裂抗拉強(qiáng)度的測試采用濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的UH- 250型材料試驗(yàn)機(jī)；抗折強(qiáng)度的測試采用上海試驗(yàn)機(jī)械制造廠的VFB 型3000 kN 壓力機(jī)。
1.3 配合比
選取一個聚丙烯纖維混凝土配合比作為基準(zhǔn)配合比，改變水性環(huán)氧樹脂在聚丙烯纖維混凝土中的摻入量進(jìn)行對比分析。水性環(huán)氧樹脂是一種水分散型的高分子聚合物乳液，根據(jù)測定，水性環(huán)氧樹脂乳液中含水量為40%。因此，經(jīng)水性環(huán)氧樹脂改性后的聚丙烯纖維混凝土與基準(zhǔn)混凝土的各項(xiàng)性能對比試驗(yàn)中，對改性后的聚丙烯纖維混凝土的水灰比應(yīng)嚴(yán)格控制，以保持與原聚丙烯纖維混凝土各項(xiàng)試驗(yàn)中水灰比的一致?；鶞?zhǔn)配合比為：m（水泥）∶m（砂）∶m（石）∶m（水）∶m（聚丙烯纖維）=400∶603∶1225 ∶172∶0.9 ，水灰比W/C=0.43，砂率為33%，
聚丙烯纖維摻量為0.9 kg/m3。水性環(huán)氧樹脂摻量按水泥用量的5%～25%摻入，每5%遞增，水性胺類固化劑用量為水性環(huán)氧樹脂用量的25%。
1.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析
對水性環(huán)氧樹脂的摻量對聚丙烯纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的影響進(jìn)行了測試，并與普通聚丙烯纖維混凝土進(jìn)行比較，試驗(yàn)結(jié)果見表1。從表1 試驗(yàn)結(jié)果得出：
（1）由于水性環(huán)氧樹脂與水性胺類固化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，生成的樹脂固化物具有很強(qiáng)的內(nèi)聚力和粘結(jié)力，在水泥漿、骨料與聚丙烯纖維三者之間形成具有較高粘結(jié)力的膜，在與水泥水化時，水化產(chǎn)物與聚合物膜相互交織在一起形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得聚丙烯纖維更緊密地吸附在混凝土的骨料和水泥基的表面。因此，摻入水性環(huán)氧樹脂改性后的聚丙烯纖1 水性環(huán)氧樹脂對聚丙烯纖維混凝土力學(xué)性能影響的試驗(yàn)
1.1 試驗(yàn)材料
水泥：廣州石井牌P.O42.5 普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料：河砂，最大粒徑5 mm，細(xì)度模數(shù)2.5，表觀密度2.58 g/cm3，堆積密度1480 kg/cm3；粗骨料：石灰?guī)r碎石，表觀密度2.98 g/cm3，堆積密度1540 kg/cm3，顆粒級配為5～20 mm，連續(xù)級配；聚丙烯纖維：美國杜拉纖維，密度0.91 g/cm3,長度20 mm；水性環(huán)氧樹脂：廣州東風(fēng)化工廠生產(chǎn)；固化劑：DFG—88 芳香族胺類固化劑，用量為水性環(huán)氧樹脂用量的25%。
1.2 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)設(shè)備
按照CECS 13：89 《纖維混凝土試驗(yàn)方法》進(jìn)行劈裂抗拉、抗折強(qiáng)度的測試。劈裂抗拉強(qiáng)度試件尺寸為150 mm×150mm×150 mm；抗折強(qiáng)度試件尺寸為150 mm×150 mm×550mm。每種性能測試所用試件均為3 個。
劈裂抗拉強(qiáng)度的測試采用濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的UH- 250型材料試驗(yàn)機(jī)；抗折強(qiáng)度的測試采用上海試驗(yàn)機(jī)械制造廠的VFB 型3000 kN 壓力機(jī)。
1.3 配合比
選取一個聚丙烯纖維混凝土配合比作為基準(zhǔn)配合比，改變水性環(huán)氧樹脂在聚丙烯纖維混凝土中的摻入量進(jìn)行對比分析。水性環(huán)氧樹脂是一種水分散型的高分子聚合物乳液，根據(jù)測定，水性環(huán)氧樹脂乳液中含水量為40%。因此，經(jīng)水性環(huán)氧樹脂改性后的聚丙烯纖維混凝土與基準(zhǔn)混凝土的各項(xiàng)性能對比試驗(yàn)中，對改性后的聚丙烯纖維混凝土的水灰比應(yīng)嚴(yán)格控制，以保持與原聚丙烯纖維混凝土各項(xiàng)試驗(yàn)中水灰比的一致。
基準(zhǔn)配合比為：m（水泥）∶m（砂）∶m（石）∶m（水）∶m（聚丙烯纖維）=400∶603∶1225 ∶172∶0.9 ，水灰比W/C=0.43，砂率為33%，聚丙烯纖維摻量為0.9 kg/m3。水性環(huán)氧樹脂摻量按水泥用量的5%～25%摻入，每5%遞增，水性胺類固化劑用量為水性環(huán)氧樹脂用量的25%。
1.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析
對水性環(huán)氧樹脂的摻量對聚丙烯纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的影響進(jìn)行了測試，并與普通聚丙烯纖維混凝土進(jìn)行比較，試驗(yàn)結(jié)果見表1。從表1 試驗(yàn)結(jié)果得出：
?。?）由于水性環(huán)氧樹脂與水性胺類固化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，生成的樹脂固化物具有很強(qiáng)的內(nèi)聚力和粘結(jié)力，在水泥漿、骨料與聚丙烯纖維三者之間形成具有較高粘結(jié)力的膜，在與水泥水化時，水化產(chǎn)物與聚合物膜相互交織在一起形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得聚丙烯纖維更緊密地吸附在混凝土的骨料和水泥基的表面。因此，摻入水性環(huán)氧樹脂改性后的聚丙烯纖
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?。?）摻入水性環(huán)氧樹脂15%～20%的聚丙烯纖維混凝土，成本增加較少，其各項(xiàng)力學(xué)性能提高較大，粘結(jié)性適當(dāng)，便于施工操作。
2 水性環(huán)氧樹脂增強(qiáng)聚丙烯纖維水泥附著性能試驗(yàn)
為了評估水性環(huán)氧樹脂改性聚丙烯纖維后的粘結(jié)性效果，進(jìn)行水泥對聚丙烯纖維附著性大小的對比試驗(yàn)[1]。第Ⅰ組：長度為20 mm 聚丙烯纖維；第Ⅱ組：將長度為20 mm 的聚丙烯纖維摻入以100 份水性環(huán)氧樹脂+25 份固化劑混合攪拌制成的水性環(huán)氧樹脂乳液中，浸泡3 min；再將第Ⅰ組和第Ⅱ組纖維材料分別摻入水灰比為0.5 的水泥凈漿中，攪拌2 min，靜止放置10 min，然后用鑷子夾住聚丙烯纖維一端將纖維取出，滴干水，用濾紙吸干附著在纖維末端的水分，稱量，計(jì)算纖維吸附水泥的量。每組纖維試樣測試10 個數(shù)據(jù)，將測試結(jié)果中的最大值和最小值去掉，得出水性環(huán)氧樹脂乳液對聚丙烯纖維改性后，其纖維表面的水泥附著性吸附量的統(tǒng)計(jì)平均值：第Ⅰ組為311.2 mg/20 mm；第Ⅱ組為420.5 mg/20 mm。
試驗(yàn)可知，水性環(huán)氧樹脂改性后的聚丙烯纖維的水泥吸附量提高了35%。這是由于經(jīng)過水性環(huán)氧樹脂乳液浸泡的聚丙烯纖維表面帶有羧酸根離子（—COO-），在堿性環(huán)境下與水泥水化產(chǎn)生的大量Ca2+發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得聚丙烯纖維的水泥附著性能增強(qiáng)。
3 水性環(huán)氧樹脂摻入聚丙烯纖維混凝土后阻裂效應(yīng)試驗(yàn)研究
3.1 混凝土塑性裂縫機(jī)理[2- 3]
混凝土在成型之初由于內(nèi)部的水分遷移至表面，其內(nèi)部存在較多的原生微裂縫。在混凝土終凝前后，混凝土逐漸失去塑性, 但強(qiáng)度尚未發(fā)展，而混凝土表面水分蒸發(fā)的結(jié)果可能造成混凝土表面細(xì)微原生裂縫擴(kuò)展成宏觀裂縫。由于這種裂縫是混凝土在塑性期失水形成的，所以被稱為塑性裂縫?；炷了苄粤芽p的形狀是不規(guī)則、無取向性的，最易發(fā)生在混凝土澆注后的3～4 h。
3.2 試驗(yàn)方法
以文獻(xiàn)[4]推薦的方法，自行設(shè)計(jì)制作了用于測定纖維混凝土塑性開裂試驗(yàn)的裝置，裝置的外形尺寸：高100 mm，長600 mm，寬400 mm，中間突起部位高80 mm，兩端突起部位高40 mm。試驗(yàn)原理：新攪拌的混凝土倒入該裝置后，裝置兩端突起部位用于限制混凝土的自由收縮，由于混凝土在裝置中間部位的厚度相對較小（20 mm），塑性收縮的結(jié)果將使新拌混凝土沿裝置中線發(fā)生塑性裂縫（如圖1 所示）。通過測量中線處塑性裂縫的寬度來評價水性環(huán)氧樹脂增強(qiáng)后的聚丙烯纖維混凝土的阻裂效應(yīng)。
試驗(yàn)：將摻入一定量水性環(huán)氧樹脂的聚丙烯纖維混凝土倒入圖1 所示裝置中，用刮刀將表面抹平，進(jìn)行吹風(fēng)試驗(yàn)，在相對干燥（相對濕度40%）和高溫（35 ℃）的條件下，觀測干縮270 min 后，水性環(huán)氧樹脂不同摻量的聚丙烯纖維混凝土塑性裂縫寬度變化。
3.3 試驗(yàn)結(jié)果
在上述試驗(yàn)條件下，水性環(huán)氧樹脂的不同摻量對聚丙烯纖維混凝土塑性裂縫寬度影響的試驗(yàn)結(jié)果，見圖2。
3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析
由圖2 可見，摻入水性環(huán)氧樹脂能顯著降低聚丙烯纖維混凝土塑性裂縫寬度，并且阻裂效應(yīng)隨著水性環(huán)氧樹脂摻量的增大而增強(qiáng)，也因此提高了纖維混凝土的防裂、抗?jié)B性能。從性價比、施工操作和阻裂效果等幾方面評價，水性環(huán)氧樹脂摻量為15%～20%為最佳。
由于混凝土中的水性環(huán)氧乳液隨著水分的蒸發(fā)，能迅速填補(bǔ)混凝土表面因水分蒸發(fā)產(chǎn)生的微裂縫；水性環(huán)氧乳液和聚丙烯纖維混凝土一起均勻攪拌，水性環(huán)氧乳液被均勻地分散于混凝土中，并填補(bǔ)因聚丙烯纖維分布不均而造成混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的裂縫，加強(qiáng)聚丙烯纖維之間的粘聚力；使得改性后的聚丙烯纖維混凝土內(nèi)部形成一個網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，避免由于聚丙烯纖維分布不均造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象。
4 摻水性環(huán)氧樹脂的聚丙烯纖維混凝土抗?jié)B性能試驗(yàn)
4.1 試驗(yàn)原理
該試驗(yàn)根據(jù)GBJ 82—1985《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》實(shí)施，試驗(yàn)所用材料種類、混凝土配合比以及水性環(huán)氧樹脂摻量與力學(xué)性能試驗(yàn)相同，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，試驗(yàn)齡期為28 d。試驗(yàn)采用HS- 4B 型混凝土滲透儀，其加壓范圍為0～4 MPa，每次試驗(yàn)安裝1 組試件（6個），試驗(yàn)時由初始的0.1MPa 開始加壓，加壓持續(xù)8 h，如未發(fā)現(xiàn)試件出現(xiàn)透水或透水試件總數(shù)不超過3 個時，試驗(yàn)壓力遞增0.1MPa，依次類推，直至透水試件超過3 個時試驗(yàn)結(jié)束。
4.2 試驗(yàn)結(jié)果（見表2）
4.3 試驗(yàn)結(jié)論
表2 結(jié)果表明，在聚丙烯纖維混凝土中摻入水性環(huán)氧樹脂，可大幅度提高混凝土的抗?jié)B性能，而且隨著水性環(huán)氧樹脂摻量的增大，聚丙烯纖維混凝土的抗?jié)B性能也隨之提高，不僅抗?jié)B時間大幅度增加，而且耐水壓力也大幅度提高。
在試驗(yàn)中對未產(chǎn)生透水現(xiàn)象的試件剖開對比發(fā)現(xiàn)，尚未完全透水的未摻水性環(huán)氧樹脂的聚丙烯纖維混凝土試件透水高度均達(dá)到了120 mm，而摻入水性環(huán)氧樹脂的聚丙烯纖維混凝土試件透水高度為60~90 mm，且水性環(huán)氧樹脂摻量越大，透水高度越低。從性價比、施工操作和抗?jié)B性能等幾方面考慮，水性環(huán)氧樹脂摻量在15%～20%為最佳摻量。
5 工程應(yīng)用
5.1 工程概況
番禺大石大橋位于番禺區(qū)大石鎮(zhèn)內(nèi)，橋全長455.50 m，主跨為2×38.2 m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土T 型剛構(gòu)+24.3 m 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡支掛梁；引橋?yàn)?2 跨，每跨25.0 m 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡支T 梁。
該橋原采用的是普通混凝土與改性瀝青混凝土上下2 層的加鋪層。在對該橋進(jìn)行加固期間，發(fā)現(xiàn)箱梁內(nèi)有多處滲漏水，主要以頂板、腹板漏水為主，從橋面也可以觀察到多處開裂。這表明橋面在多種因素的影響下，其防水能力已明顯降低或局部失效。如果大量滲漏水積存在箱梁內(nèi)，將加速內(nèi)部預(yù)應(yīng)力鋼筋及普通鋼筋的銹蝕，影響橋梁結(jié)構(gòu)耐久性，這將成為該橋的安全隱患，因此，需對箱梁部分橋面鋪裝層進(jìn)行防裂、防水處理。
5.2 加固方法
根據(jù)各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果，對番禺大石大橋箱梁部位的橋面鋪裝層，擬采用摻入一定量水性環(huán)氧樹脂的聚丙烯纖維混凝土鋪裝。具體加固結(jié)構(gòu)形式為：摻有水性環(huán)氧樹脂的聚丙烯纖維混凝土防水層+AC- 20Ⅰ改性瀝青混凝土面層。摻有水性環(huán)氧樹脂的聚丙烯纖維混凝土的材料配合比為：m（水泥）∶m（砂）∶m（石）∶m（水）∶m（聚丙烯纖維）∶m（水性環(huán)氧樹脂）∶m（固化劑）=400∶603∶1225∶125∶0.9∶80∶20，水灰比W/C=0.43，砂率33%。
5.3 施工工藝
?。?）鑿除箱梁部位的橋面原有加鋪層，并清除舊橋面鋪裝層破損后留下的雜質(zhì)。對箱梁頂部的裂縫進(jìn)行處理，用灌漿料對裂縫進(jìn)行壓力灌縫。
?。?）按確定配合比進(jìn)行配料，先將水性環(huán)氧樹脂與固化劑倒入容器中，攪拌制成乳液，摻入聚丙烯纖維浸泡10～15min。
（3）按配比將水泥、砂混合，再加入浸泡后的纖維一起拌合，然后該混合物與水性環(huán)氧乳液投入攪拌機(jī)與石料一起攪拌制成混凝土。
?。?）澆注摻有水性環(huán)氧樹脂的聚丙烯纖維混凝土，采用震搗板進(jìn)行震搗密實(shí)。
5.4 使用情況
番禺大石大橋橋面鋪裝層維修于2004 年10 月底完成，至今已2 年時間。從目前的使用效果看，修補(bǔ)后的鋪裝層完好無損，箱梁內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有滲漏水現(xiàn)象。新鋪的鋪裝層表面未出現(xiàn)明顯裂縫，所出現(xiàn)的微裂縫均為初期養(yǎng)護(hù)及行車振動后引起。從跟蹤的觀測結(jié)果看，這些微裂縫均保持穩(wěn)定，沒有擴(kuò)展。
6 結(jié)語
（1）水性環(huán)氧樹脂摻入聚丙烯纖維混凝土后，混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度抗裂和抗?jié)B性能有一定的提高。
（2）聚丙烯纖維混凝土中摻入一定量的水性環(huán)氧樹脂，混凝土的抗裂和抗?jié)B性能有明顯的提高
?。?）隨著水性環(huán)氧樹脂摻入量增加，聚丙烯纖維混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能均有提高，但從經(jīng)濟(jì)考慮，水性環(huán)氧樹脂摻量越多，成本越高，不利于工程的廣泛應(yīng)用；從施工角度考慮，水性環(huán)氧樹脂摻量越多，混凝土的粘性也越大，施工操作也越困難。因此，水性環(huán)氧樹脂在纖維混凝土中應(yīng)用存在一個最佳摻量問題，本試驗(yàn)中水生環(huán)氧樹脂最佳摻量為15%～20%。
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